TEMPER simulations of MCX-6100 filled 155 mm shell - experimental properties, sympathetic reaction and fragmentation studies

Abstract

IM classification of munitions requires testing according to STANAG 4439 (1). The exception is if the Threat Hazard Analysis shows that a specific threat in the STANAG does not exist for the life cycle of the munitions. Then a test can be omitted. A full scale test may in some nations be replaced by small scale testing and simulations. In this report results from small scale testing of the melt cast composition MCX-6100 have been used as input for simulations of Sympathetic Reaction with the MSIAC TEMPER software. The munitions we have studied are 155 mm shells. The melt-cast composition MCX-6100 is selected as the main explosive filler. TEMPER simulations of Sympathetic Reaction with the One-on-One Warhead model have been performed to determine the responses in the acceptor with different sets of properties for the MCX-6100 fillings. Properties are partly measured and partly theoretically calculated by use of Cheetah 2.0. In addition, the effects of porosity and sedimentation on fragmentation performance have been studied. From a detonating 155 mm shell filled with MCX-6100 CH 6027/14 the most energetic fragments come from shell thicknesses from 5 to 11 mm. The origin of these fragments depends little on the shock sensitivity of the filling. On the other hand, the responses of acceptor shells filled with MCX-6100 CH 6027/14 composition depend strongly on their shock sensitivity. A filling with shock sensitivity of 36.4 kbar will respond with a detonation for shell thicknesses up to 20 mm. For a filling with shock sensitivity of 58.5 kbar an 11 mm thick shell is enough to avoid a detonation response. There are significant differences between fragmentation calculation results using measured properties of density, detonation velocity and pressure, and calculations using theoretical (calculated) properties. For an MCX-6100 filled shell with nominal content and TMD using measured properties we will for an envelope thickness of 13 mm get 2286 fragments less than by using the theoretical values. For an envelope thickness of 15 mm the difference is 1776 fragments less. The differences in number of fragments due to sedimentation are largest for the Bottom composition with 274, 311 and 353 fewer fragments for envelope thicknesses of 15, 14 and 13 mm respectively. The effect of porosity on the fragmentation is, as expected, highest for the Top filling with 660, 745 and 860 fewer fragments for envelope thicknesses 15, 14 and 13 mm respectively.

For IM-klassifisering av ammunisjon er det i STANAG 4439 (1) stilt krav til testing. Alle tester må utføres med mindre en trusselvurdering kan vise at en spesifikk trussel i STANAG-en ikke forekommer i ammunisjonens livsløp. Fullskalatesting kan i noen nasjoner erstattes med småskalatester i kombinasjon med simuleringer. I denne rapporten er resultater fra småskalatesting av sprengstoffkomposisjonen MCX-6100 benyttet som inndata for simuleringer av «Sympathetic Reaction»-test med MSIAC-programvaren TEMPER. Ammunisjonen vi har studert, er en 155 mm granat. MCX-6100 er en smeltestøpkomposisjon til bruk i denne ammunisjonstypen. TEMPER-simuleringer av «Sympathetic Reaction” med “One-on-One Warhead»-modellen er utført for bestemmelse av responsen til akseptorer med forskjellige sett av egenskaper til MCX6100-fyllingene. Egenskapene som er benyttet, er delvis hentet fra eksperimentelt målte verdier og delvis fra beregnede verdier ved bruk av Cheetah 2.0. Fragmenteringsberegninger har vært utført for å belyse hvilken effekt porøsitet og/eller sedimentering har på fragmenteringen. Fra en detonerende 155 mm granat fylt med MCX-6100 kommer fragmentene med høyest energi fra området hvor veggtykkelsen er fra 5 til 11 mm. Denne veggtykkelsen til donorgranaten er uavhengig av sjokkfølsomheten til komposisjonen. Reaksjonen i akseptorgranaten er derimot sterkt avhengig av sjokkfølsomheten til MCX-6100 CH 6079/14-fyllingene. Med en sjokkfølsomhet på 36.4 kbar vil granaten detonere for veggtykkelser opp til 20 mm. Endres sjokkfølsomheten for fyllingen til 58.5 kbar, vil kun granater med veggtykkelse mindre enn 11 mm detonere. Fragmenteringsberegninger med målte sprengstoffegenskaper gir en annen fragmentering enn med beregnede egenskaper. Med sprengstoffegenskaper menes her tetthet, detonasjonshastighet og trykk. Sammenlignes antallet fragmenter for MCX-6100 nominell sammensetning og TMD med de målte sprengstoffegenskapene, vil man med en 13 mm veggtykkelse få 2286 færre fragmenter og med 15 mm veggtykkelse 1776 færre fragmenter enn med beregnede sprengstoffegenskaper. Forskjellene i antall fragmenter på grunn av sedimentering er størst i bunn med 273, 311 og 353 for veggtykkelser på henholdsvis 15,14 og 13 mm. Effekten på fragmenteringen av porøsitet er som forventet størst for Top-komposisjonen med 660, 745 og 860 færre fragmenter for veggtykkelser på henholdsvis 15, 14 og 13 mm.